水射流切割高硅钢片技术研究

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2013年9月第4l卷 第 l7期机床与液压MACHINE TOOL& HYDRAULICSSep．2013Vo1．41 No．17DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．17．017水射流切割高硅钢片技术研究曾永龙 ，陈奎生 ，王建民 ，刘念(1．武汉钢铁 (集团)公司研究院，湖北武汉 430080；2．武汉科技大学机械 自动化学院，湖北武汉430080)摘要：介绍高压水射流系统组成及工作原理，建立射流砂粒切割冲蚀材料过程模型 ，分析切割加工高硅钢片类脆性材料的影响因素。在对高硅钢片进行切割实验的基础上，通过调整水射流系统的切割压力 ，实现了高硅钢板的塑性加工。

关键词：水射流；脆性材料；高硅钢片中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号 ：1001—3881(2013)17—066—3Research on the Technology of Cutting High Silicon Steel by Water JetZENG Yonglong 一，CHEN Kuisheng ，WANG Jianmin ，LIU Nian(1．Research&Development Center，Wuhan Iron&Steel(Group)Corporation，Wuhan Hubei 430080，China；2．Automatic Mechanical Colege，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430080，China)Abstract：The composition and working principle of high pressure water jet system were introduced．A process model for erosionmaterial cut by jet sand was established．The factors influencing cut machining of high silicon steel britle material were analyzed.

Plastic processing for high silicon steel sheet is realized on the basis of cutting experiments for high silicon steel sheet by adjusting thewater jet cuting pressure.

Keywords：Water jet；Britle material；High silicon steel sheet高硅钢片具有良好的磁性等优点，广泛应用于变压器铁芯和大型电机的制造。目前已研究成功含硅6．5％的高硅钢片。随着硅含量的增加，硅钢片的硬度也随之升高，但高硅钢片在室温下很脆，这就对其加工性能产生了重大影响。从加工性能考虑 ，目前常用的切割技术主要有冲剪、激光切割和电火花切割等。为了实现稳定且有良好机加工性能的断面，用户一 般采用小冲剪间隙进行冲剪 ，但高硅钢易氧化生锈，在其表面形成氧化膜 ，结果导致硅钢用户冲片用的模具变得容易损坏。或者加热至300～500 oC温热冲剪，高硅钢导热性低，钢带冷却和加热时容易发生内裂。激 光 切 割 属 于 热加 工 ，存 在 着 热 影 响 区(HAZ)、热变形与热变性等。在目前，如需要用高硅钢板构成有高强度要求的零件时，为了避免冲剪裂纹 ，不得不采用 电火花加工，但 电火花机受加工电流、脉宽等参数影响，大幅度降低了加工速度，加工效率较低。

水切割设备主要是利用超高压技术可以把水加压到250～600 MPa，然后再通过内孔直径约 0．3～0．4mm的喷嘴喷射形成速度为800～1 000 m／s的高速射流，属于冷态切割，无热变形，用于切割钢板等材料。对常规厚度的板材，水切割可进行高精度的任意曲线的切割加工，切割面质量好，成品率高，无须二次加工。同时，水切割能很好地解决一些熔点高、合金、复合材料等特殊材料的切割加工。高压水射流破坏材料的过程是一个动态的过程，作者介绍了高压水射流系统工作原理，探讨了切割高硅钢片类脆性材料的影响因素，为合理设置切割压力提供了参考。

1 水射流切割系统组成及工作原理水射流切割是利用高压水通过孔径约 0． 3～0．4mm的喷嘴，高速度带动固体颗粒切割目标物的一种加工方法。

图1是水射流切割系统工作原理。系统主要由低压油系统、增压器 、给水系统、蓄能器、喷嘴系统 、供砂系统等组成。低压油系统是高压水切割机的主要动力源。由电动机带动油泵，油泵通过过滤器从油箱收稿日期：2012—08—08作者简介：曾永龙 (1982一)，男，博士研究 生，机械 工程师，主要从事机 械加工及 流体 机械方面 研究。E—mail：ylzeng101382###qq．corn。

第l7期 曾永龙 等：水射流切割高硅钢片技术研究 ·67·吸入液压油，通过单向阀、油路管进入电液换向阀，同时也与电磁溢流阀连通，控制调节系统压力。给水系统是切割水的来源。自来水通过过滤器净化，使其杂质直径小于10 m，通过增压泵使其压力达到0．45MPa以上，由压力软管导入并经进水单向阀而进入往复式增压器两端的高压缸内。低压油推动增压器活塞左右往复运动，通过柱塞面积比将从给水系统来的水压缩形成高压水，经出水单向阀并经蓄能器稳压后进入切割头喷嘴。当高压水液体在经过特制的喷嘴小孔时，将会形成具有很高速度的水射流，这种高速射流的动能和部分压力能，在高压水射流后端通过?昆合管将砂粒进行加速、夹带、混合后流出而形成砂粒与高压水的固液混合物，即射流砂粒。高速射流砂粒本身具有较高的刚性，射流作用于钢板表面时，碰撞产生极高的冲击，破坏钢板表面原有结构和状态，产生 的冲击压力如果超过材料的抗拉强度 ，即可切断材料1一油箱 2一过滤器 3一油泵 4一压力表 5一电磁溢流 阀6一电液换向阀 7一增压器 8一水箱 9一增压水泵 lO一溢流 阀l1一进水单 向阀 12一 出水单向阀 l3一蓄能器 l4一高压水截止阀l5一喷嘴 16一砂刀管 l7一砂料斗 l8一送砂截止 阀 19一切割工作台图 1 水射流切割 系统组成原理2 高硅钢片切割冲蚀模型切割高硅钢片脆性材料时，高速射流颗粒直接喷射到材料表面发生弹性为主的碰撞。高硅钢片受冲击力后容易断裂，断口形貌呈粒状，AES断口分析证明：为典型的晶间断裂，多数情兄下沿晶断裂属于脆性断裂。高速射流本身具有较高的刚性，射流作用于物钢板表面时，碰撞产生极高的冲击，破坏钢板表面原有结构和状态，其破坏作用过程及机制极其复杂。

实际水射流切割生产不仅与射流作用条件有关，而且与切割材料的性质密切相关。大致可以分为两大类：塑性破坏和脆性破坏。从加工过程中所需能量角度来看，产生脆性断裂所需的能量大于产生塑性变形所需能量。由于硬脆材料的塑性变形区较小，当射流砂粒与加工材料接触时，在冲击力较大的情况下，工件容易产生脆性断裂。在冲击力小于脆性断裂所需能量的情况下，材料在射流砂粒冲击应力的作用下发生塑性流动。因而，通过对射流砂粒冲击力大小的控制可实现对高硅钢片硬脆性材料的塑性加工。

对连续射流，喷嘴流道为圆管形结构，在喷嘴出口截面内外两点间应用伯努利方程，忽略两点之间的高度差 ，可得射流砂粒的初始速度：。 = 式中： 为经验常数；P为射流压力 (MPa)。

射流砂粒用等效理想圆球来代替，如图2所示，假定射 流砂 粒 的冲击 速 度 完 全 转换 成 弹 性 能F (t)，在射流砂粒压人到切割材料的最大深度 h时，以所贮存的弹性能来计算最大冲击力。

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， ． ． ．‘=——一 _I图 2 射流砂粒 压入 切割 材料平 面的赫 兹接 触在射流砂粒对钢板材料的冲击过程中，若不计射流砂粒的重力作用 ，则射流砂粒的运动可以由牛顿第二定律和赫兹方程来描述：m 警=F ( )=一F(￡) (1)F( ) (÷) (2)其中：m=4,'rR3p／3,A= 杀 ( 2+ 12)式中：m、R、P分别为球形射流砂粒质量、半径和密度； 为压痕深度； 、E。分别为射流砂粒的泊松比和弹性模量； 、 E 分别为钢板材料的泊松比和弹性模量。

· 68· 机床与液压 第 41卷设 = ，初始条件为：T出 = (3)t
『 0 0 j联立方程 (1)、(2)得：m 鲁：一( ㈩将初始条件 (3)代人式 (4)得：寺m( 一Vo) =一÷A。 (5)射流砂粒侵入切割材料过程中，随着压入深度的增加，射流砂粒压进速度逐渐减小，直到速度为0时，压痕深度最大，即 dz／dt=0时，压缩深度最大：= = f-~A3／2m) 巧 ： (6)将式 (6)代入式 (2)，可以得到速度为 的射流砂粒对切割钢板材料的最大冲击力为：F
m ax
= ( ) =( 舢 )奶 (7)将 。=k 代人式 (8)得：F?=K 手 1 p pK=3．028k由此可以看出，射流砂粒切割钢板时产生的最大冲击力与射流砂粒的密度P、半径R和射流压力P存在着密切的关系。通常水切割设备安装完成后，射流砂粒的密度和颗粒大小参数不容易更换，但可以通过调整射流压力大小来改变射流砂粒切割钢板时产生的冲击力，以 “磨削”切割的方式进行加工，也就让高硅钢板的塑性加工成为可能。

3 切割实验切割断面质量差，高硅钢板不能完全切穿；当射流切割系统压力在 200～300 MPa时，切割断面质量 明显改善 ，切 口表面光洁，切割压力对切割表面粗糙度影响如图3所示；当射流切割系统压力大于 300MPa时，切割断面存在较多裂纹，高硅钢板极易被切碎。

图3 切割压力对材料表面粗糙度的影响4 结论分析高压水射流系统组成及工作原理，研究高硅钢片脆性材料的切割机制，建立射流砂粒切割冲蚀材料过程模型，分析受冲击区的应力对切割加工高硅钢片类脆性材料的影响。在此基础上，对高硅钢片进行了切割实验，实验结果表明：水射流对高硅钢片类脆性材料具有良好的切割效果和独特优势。

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在高硅钢片切割冲蚀模型研究的基础上，利用水 【6】GENE G Y．A Pulsation—Free Fluid Pressure lnrensifer射流切割设备对高硅钢片进行了切割实验。

实验条件：喷嘴口径为0．3 mm，磨料为粒度为80目石榴砂，质量分数为45％，靶距 3—5 mm，切割速度3 mm／s，喷嘴与靶物表面垂直打击，切割靶物为高硅钢片试件，尺寸为200 mm×100 IBm×1．5mm。通过控制器来对水压在50～400 MPa范围内进行增减切割。当射流切割系统压力50～120 MPa时，【C]．Proceedings of the 9th American Waterjet Confer-ence，Dearborn ，1997.

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